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船舶排气阀烧蚀案例分析

南京某航运公司所属M轮于2019年12月执行马来西亚关丹至曹妃甸航次,装载铁矿52000吨,全速航行至长江口附近,8--12班,三管轮检查发现主机3缸排温异常升高,达到420度,其他缸排温正常,随后电话通知老轨及大管轮,大管轮赶到机舱后检查,其他参数并无异常,老轨和大管商量后决定先降速并将3缸油门齿条稍微调小,排温将至380左右,其他缸接近350左右,待工况稳定后大管轮测量了各缸示工图,未见明显异常,这样坚持航行到下午大管班,约1730时,3缸排温再次升高至410度,大管电话通知老轨并降速,后航行至合适位置,临时抛锚。大管带领机工长先将2只喷油器拔出泵压,发现启阀压力偏低,调整后雾化良好,并无异常。随后将3缸排气阀拆出,发现排气阀阀面烧蚀出约1cm宽破洞,更换备用排气阀组,恢复航行,排温降至350度左右,运行良好。

一、船舶柴油机排气阀故障的原因分析  

1、排气阀的工作条件

船舶柴油机中排气阀的工作条件十分恶劣,气阀底面与高温燃烧产物直接接触,在气阀开启期间还承受着高温(900~1000°C)和具有腐蚀性气体的高速(达600m/s)冲刷,气阀中心温度高达700~800°C,在阀盘与阀杆过渡圆弧中段,温度也有600~700°C,过高的温度会使金属材料的机械性能降低,材料发生热变形。当阀面密封不严时,就会引起高温燃气对阀面的烧损。气阀落座时,阀与阀座的惯性力和弹簧作用力的共同作用下,还承受着相当大的冲击性交变载荷,在气阀出现跳动或气阀间隙增大时,这种载荷会明显增加。阀与阀座的撞击,容易形成密封面的变形和严重的磨损。因船用柴油机绝大部分多为增压柴油机,由于进气道内的新鲜空气压力阻止了从气阀导管中获得滑油的可能,因此,金属之间易发生干摩擦。但在一般柴油机的气阀以及增压柴油机的排气阀座合金面间总会布有一层滑油或烟油等润滑物。此外,阀杆与导管间也会发生磨损,阀杆顶端受摇臂的撞击与磨损。

2、附加因素的影响

由于燃油价格不断上涨,航运市场竞争激烈,船东为了降低成本来达到提高竞争能力、获得更多利润的目的,均使用低价、劣质的燃油。这些燃油的粘度高,滞燃期长,而且钒、钠和硫的含量比较高。这种燃油在柴油机中燃烧时,渣油中所含的排放物(燃料灰份)仅仅有一部分与排出的气体一起离开机器,而剩余部分仍然留在发动机内一些高温的零件上。例如,排气阔和活塞顶,形成沉积,造成所谓的“高温腐蚀”。到目前为止,还没有经济上合理的工艺过程能从渣油中除去腐蚀元素,连高级合金钢和堆焊排气阀钢也受到燃油的腐蚀。

在柴油机运行中违反用车保养规定,低温启动柴油机,低温强迫加载,柴油机气缸燃烧温度急剧变化,在柴油机负载状态下,急剧变换手柄位,使柴油机气缸燃烧状态恶化,大量雾化不良的粗大重油粒子喷入气缸,造成严重的后燃及不完个燃烧,严重积炭使排气阀的阀线表面也被积炭污染,甚至造成主机的起动困难,这就成为下次主机开车不久后的油头及排气阀故障的隐患,因此这些操纵、保养柴油机的不良习惯也是引发柴油机气阀故障的因素。

二、排气阀常见故障分析  

1、排气阀烧损

排气阀烧损是排气阀最常见故障。主要原因是排气阀密封不严,造成高温燃气泄漏,使该处严重过热,甚至熔穿金属材料。造成排气阀密封不良的原因主要有以下几点:

⑴由于阀盘不同部位的形状、厚度不同,受热、散热条件不同,阀盘圆周上的温度分布不均匀,中心温度高于周边温度,造成气阀阀盘径向上的温度差,过大的温差将造成阀盘的变形从而导致漏气的产生。

⑵船用燃油中含有的杂质在经过燃烧室内的各种复杂热过程后在排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积成一层混有碳粒的玻璃状较硬较脆物质,其内混有硫酸钠、硫酸钙、氧化铁等物质。当此层玻璃状沉积物沉积厚度过大时,在闭阀时的撞击力下会发生裂纹,反复撞击后进而发展成剥落,从而形成高温燃气喷出通道使气阀烧损。

⑶普通排气阀密封锥面在工作温度下硬度并不是很高,沉积的硬质燃烧产物颗粒在闭阀的撞击下,可使密封面出现凹坑,从而形成漏气。

2、排气阀高温腐蚀

目前在航运市场上普遍使用的劣质燃油中含有大量钒、钠和硫等元素。在燃烧过程中.硫、钒和钠等元素形成氧化硫、五氧化二钒和氧化钠等(这些氧化物的化学成份取决于过量氧气和燃烧温度)。氧化物之间要发生反应,而且还要与滑油中的钙反应,形成低熔点的盐类,有硫酸钠,硫酸钙和不同成份的钒酸钠等。这些盐类混合物熔点一般为535°C 左右,同时具有较强的腐蚀性。当零件温度在550°C 以上时,足以使钒、钠化台物处于熔化状态,附着于零件表面。当排气阀在工作中时,由于排气原因(气阀温度可达650-800°C 以上),使它以液态形成沉积在阀盘及阀座以及阀杆与阀面的过渡表面上。这时即使是非常耐腐蚀的硬质合金钢也会受到腐蚀,腐蚀结果在密封锥面上形成麻点、凹坑.凹坑相连就可能造成漏气。由于上述腐蚀是高温条件下产生的,所以称之为“高温腐蚀”。在上述高温腐蚀的有害元素中以钒的危害性为最大。

3、气阀密封锥面磨损过快

在燃烧室内的爆发压力作用下阀座与阀盘都发生弹性变形,气阀落座撞击也会造成阀座及阀盘的弹性变形,这样会使阀盘锥面反复楔入时,密封锥面产生相对运动,造成密封锥面磨损。气阀间隙过大,阀盘与阀座刚度不足,气阀与阀座材料性能达不到要求或不匹配,重油中含有较多的钒、钠、硫等有害元素,高负荷运行或燃烧恶化,冷却不良,阀杆与导管间隙过大,气阀机构振动使气阀落座速度过大等,都能使磨损速率增大。

4、阀盘与阀杆断裂

在阀盘与阀杆的过渡圆角处和阀杆装设卡块的凹槽处,由于这些部位应力容易集中,当应力集中到一定程度,就会发生疲劳断裂破坏。造成断裂的原因有:阀杆与导管的间隙过大;阀盘与阀座的变形使局部受力过大;气阀间隙过大,敲击严重疲劳破坏;气阀机构的振动。阀杆装设卡块的凹槽处是气阀的最薄弱部位,若该处凹槽加工工艺不良或闭阀冲击力较重也会产生疲劳断裂。

5、气阀卡死

气阀卡死主要是因为气阀阀杆和导管之间间隙过小,当受热膨胀后二者间隙过盈发生卡死现象。另一方面,当阀杆发生弯曲变形时也会使阀杆卡死在导管中。

6、气阀弹簧断裂

气阀弹簧本身结构不合理,内部有缺陷,加工不合理或使用中发生了扭曲或达到疲劳极限在工作中均会导致断裂。气阀弹簧断裂直接破坏柴油机正常工作,严重时,气阀可能坠入气缸。

三 总结

M轮主机型号为三菱6UEC50L,排气阀杆上无旋阀转翼装置,导致排气阀杆一直在一个位置上下运动,属于设计上存在缺陷,燃油中含有的杂质在经过燃烧室内的各种复杂热过程后在排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积成一层混有碳粒的玻璃状较硬较脆物质,其内混有硫酸钠、硫酸钙、氧化铁等物质。当此层玻璃状沉积物沉积厚度过大时,在闭阀时的撞击力下会发生裂纹,反复撞击后进而发展成剥落,从而形成高温燃气喷出通道使气阀烧损。

排气阀是柴油机的重要组成部分,它的工作性能的好坏直接影响到主机的正常运行。因此,轮机管理人员必须对排气阀工作予以极大的关注。要求做到以下几点:

(1)航行时认真巡回检查,注意排温变化。要随时注意排气阀驱动机构供油压力。在外界海况和主机负荷不变的前提下,如某一缸的排烟温度出现逐渐上升的趋势、声音异常等情况时,应及时正确地判断出故障所在,采取果断措施,可有效地控制事故发生。

(2)平日要加强对喷油器的维护管理,确保喷油器工作正常。如果喷嘴雾化不良,吊出排气阀时,明显可以看到距喷嘴最近的阀座内侧,成对角状堆积了大量的结碳和没烧尽的燃油的混合物,其表面成液态状,且向下流到密封耦合面上,导致结碳,这些结碳,就是烧损阀的“罪魁祸首”,这两处,就可能是阀被烧损的具体部位。

(3)轮机员必须严格按照船舶柴油机说明书要求 ,定期检验排气阀,缩短排气阀保养时间间隔,保养时最好将空气弹簧活塞各相关O-RING换新,防止气阀关闭不严或延迟关闭。动力油活塞抽出检查,必要时更换活塞环,防止漏油,导致气阀延迟开启或关闭迅速导致敲阀。

(4)阀盘与阀座面上均堆焊有耐热合金,一般厚度为3mm 左右,拆检时按说明书要求进测量,当最大研磨量Gt>2.0mm,气隙G3≤O时此阀不能再用。

(5)为了避免在研磨时由于波动引起阀盘表面出现振颤的现象,应尽可能不在船舶航行或抛锚时研磨排气阀,如果条件允许,尽量在码头或专业厂家进行研磨工作。

(6)主机最好间隔一段时间,在进出港机动用车时,换用轻油将燃油系统进行冲洗,有利于改善喷射泵和喷油器的工况,提高燃烧质量。同时,轮机员要勤加注意燃烧室零件的冷却,使零件温度保持在550°C以下,但冷却水温度不能调得太低一面热应力过大发生裂纹。

(7)加强燃油的循环分离,减少燃油中杂质的存在,必要时减小分油机的进油量,保证燃油质量。

作者:刘昕来

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